直至踝部的宇宙射线能谱与组成——银河系第二成分的例证

我们开展了一项详尽研究，以理解能量高达约10^18 eV的宇宙射线的观测能谱与组成。我们的研究表明，单一的银河系成分（其不同元素各自能谱具有后续能量截断，且经优化以解释约10^14 eV以下的观测能谱及全粒子能谱中的膝部）无法解释约2×10^16 eV以上的观测全粒子能谱。我们讨论了银河系宇宙射线第二成分的两种途径——银河系风终止激波处的再加速，以及沃尔夫-拉叶星的超新星爆发——并表明后者情景与强射电星系或具有相似宇宙演化的源族所预期的经典河外能谱相结合时，几乎能够解释全粒子能谱与组成中直至约10^18 eV的所有观测特征。在此双成分银河系模型中，全粒子能谱中约3×10^15 eV处的膝部与约10^17 eV处的第二膝部分别源于第一和第二成分的截断。我们还讨论了河外成分的若干变体，从最小贡献到在踝部（约4×10^18 eV）以下存在显著成分的情形，发现超出常规源演化的河外贡献既无迹象表明存在，也与现有数据不冲突。我们的主要结果是，第二银河系成分预言在第二膝部及更高能量处银河系宇宙射线的组成主要以氦或氦与CNO核的混合物为主，铁成分比例微弱或基本消失，这与大多数常见假设相反。该预言与LOFAR和皮埃尔·奥格天文台的新测量一致，这些测量表明在约10^17至10^18 eV间存在强的轻成分和相当低的铁比例。